Leistungselektronik Grundlagen Halbleiter

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Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern liegt zwischen denen von Leitern und Isolatoren. Durch Energiezufuhr werden aus Halbleitern dann Leiter.

Aufgrund ihrer Eigenschaften werden Halbleiter häufig in der Herstellung von elektronischen Bauelementen wie Dioden, Transistoren und integrierten Schaltkreisen verwendet. Der wichtigste und bekannteste Halbleiter ist wahrscheinlich Silizium. Weitere Materialien sind Siliziumkarbid, Germanium oder Galliumarsenid.

Die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern können durch den Prozess der Dotierung verändert werden. Dotierung bezeichnet den Prozess, bei welchem kleine Mengen anderer Elemente in das Halbleitermaterial eingebracht werden. Diese Dotierung kann die Anzahl der freien Ladungsträger in dem Material erhöhen, entweder Elektronen (n-Typ) oder Löcher (p-Typ). Durch die Kombination von n-Typ- und p-Typ-Materialien können verschiedene elektronische Bauelemente hergestellt werden. Ein Beispiel für eine Diode ist die pn-Diode, die aus einer pn-Übergangsschicht besteht.

Beispiel der Diode

Eine pn-Diode besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien, einem p-Typ, welches durch eine Bor Dotierung entsteht und einem n-Typ, was durch die Dotierung mit Phosphor entsteht. Bei der Herstellung wird hochreines Silizium verwendet, das durch Dotierung mit diesen Elementen positive (Löcher) und negative (Elektronen) Ladungsträger erhält. Am pn-Übergang entsteht eine Sperrschicht, die den Stromfluss in eine Richtung erlaubt und in die andere blockiert. Bei positiver Spannung an den p-Typ und negativer an den n-Typ fließt Strom, während umgekehrte Spannung den Strom blockiert.

Leistungselektronik Grundlagen

Bandlücke

Halbleiter spielen eine zentrale Rolle in der Technologie, da sie die Basis für Transistoren sind. Transistoren sind die Grundbausteine moderner Computerprozessoren und anderer digitaler Schaltkreise. Sie ermöglichen es, Signale zu verstärken und zu steuern, was für die Verarbeitung und Übertragung von Informationen in Computern, Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten unerlässlich ist. Die Herstellung von Halbleitern erfordert hochpräzise Verfahren und Reinräume, um Verunreinigungen zu vermeiden.

Arten von Halbleitern

Elementar-Halbleiter:

Diese bestehen aus einem einzigen Element des Periodensystems. Die bekanntesten Elementar-Halbleiter sind:

• Silizium (Si): Der am häufigsten verwendete Halbleiter, insbesondere in der Mikroelektronik und Photovoltaik.

• Germanium (Ge): Früher weit verbreitet in der Transistortechnologie, wird heute hauptsächlich in speziellen Anwendungen verwendet.

Verbindungshalbleiter:

Diese bestehen aus Verbindungen von zwei oder mehr Elementen (Materialien der chemischen Hauptgruppe III und V). Beispiele sind:

• Galliumarsenid (GaAs): Verwendet in Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik sowie in optoelektronischen Bauelementen wie LEDs und Lasern.

• Gallium-Nitrid (GaN): Bekannt für seine hohe Effizienz in Leistungsbauelementen und LEDs.

• Indiumphosphid (InP): Verwendet in Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

Organische Halbleiter:

Diese bestehen aus organischen Molekülen oder Polymeren. Beispiele sind:

• Polymerbasierte Halbleiter: Verwendet in organischen LEDs (OLEDs) und organischen Solarzellen.

• Kleinstmolekulare Halbleiter: Eingesetzt in organischer Elektronik und flexiblen Displays.

Amorphe Halbleiter:

Diese haben keine geordnete Kristallstruktur (nichtkristalline Festkörper). Ein bekanntes Beispiel ist:

• Amorphes Silizium (a-Si): Häufig verwendet in Dünnschichtsolarzellen und TFT-LCDs.

 (mr)

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